碱解法对二沉池污泥中化学需氧量（COD）的释放研究

雷玉新 刘耀兴，2 席 银 李文章 张 霞

（1.三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002；2.水资源安全保障湖北省协同创新中心，武汉 430070；3.湖北天泰环保工程有限公司宜昌分公司，湖北 宜昌 443002）

0 引 言

二沉池污泥是污水处理过程中产生的一种含水率很高的絮状泥粒，其主要由污水中的悬浮物、微生物、微生物所吸附的有机物以及微生物代谢活动产物所形成的聚集体.污泥中有机质、氮、磷及重金属含量较高，且含有大量的病原微生物，经过脱水后的污泥有臭味，若处理不当，会随雨水等进入水体，引起二次污染［1］.由于污泥成分较为复杂，对环境污染日益加重，因而污泥减量化技术已经成为重要的环保课题之一.同时污泥中含有大量有机物，必须对其进行妥善处理，以防止对环境造成二次污染［2］.在实现污泥减量化的同时，如何使脱水污泥中的有机质最大限度地溶解出来，也是目前污泥减量化处理与处置过程中越来越受重视的问题.

目前，硝化反硝化是高效的生物脱氮技术，在污水处理领域有着广泛的应用［3］，在微生物反硝化脱氮过程中异养反硝化菌需消耗大量的外加碳源以提供能量［4］.我国现行污水处理厂，特别是我国南方地区的污水处理厂，普遍存在脱氮碳源不足而引起的氮反硝化效率较低问题，这已成为制约生物脱氮的重要因素，因此需要投放外加碳源以满足反硝化脱氮电子供体的要求［5］.目前外加碳源种类繁多，主要包括甲醇、乙醇、乙酸钠、初沉池污泥和一些工业废弃产物等［6］，相关研究证明不同外加碳源条件下氮的反硝化速率差别较大［7］.同时外加碳源会增加污水处理过程中的成本.

根据前人研究，碱解预处理可以破坏二沉池污泥絮体及其细胞结构，使不溶性有机物从胞内释放出来［8］.这说明碱解过程不仅会使污泥中的有机物得以释放，实现污泥的减量化；同时含有有机物的碱液可以作为厌氧消化的外加碳源，降低厌氧生物处理的成本.因此，本研究提出利用NaOH消解二沉池污泥，考考察NaOH浓度、温度和时间等实验参数对污泥中COD释放效率的影响.这不仅可为二沉池污泥减量化提供一种有效的方法，同时将含有有机物的碱液作为碳源及营养源投加到污水处理厂的脱氮反硝化工艺中，提高反硝化脱氮速率，节约外加碳源成本.

1 材料与方法

1.1 试验方法与仪器

氢氧化钠，硫酸银，硫酸亚铁铵，重铬酸钾，七水合硫酸亚铁，1，10－菲啰啉，硫酸（分析纯，国药集团化学试剂有限公司，中国），超纯水（18.2MΩ）；水浴恒温振荡器（SHA－C，常州国华电器有限公司，中国），HS－JFK2000Z01型超声换能器，微控数显电热板（EH35B，北京莱伯泰科有限公司，中国），烧杯，漏斗，锥形瓶，冷凝管等.

1.2 试验方法

取一定量的二沉池污泥于碘量瓶中，加入一定量的NaOH溶液，将碘量瓶密封，在一定温度置于水浴恒温振荡器中消解一段时间后，利用定量滤纸过滤消解的污泥，取滤液测定COD；利用 HS－JFK2000Z01型超声换能器超声处理污泥一定时间，利用定量滤纸过滤消解的污泥，取滤液测定COD.

1.3 分析方法

COD的测定：重铬酸钾法，具体参照《水和废水监测分析方法》第四版.

1.4 实验污泥来源

实验污泥采自湖北省宜昌市临江溪污水处理厂的二沉池污泥，该污水厂污水来源主要是生活污水，采用具有生物脱氮除磷功能的A2／O工艺，污泥取回实验室后置于冰箱中保存直至使用（72h内）.

2 结果与讨论

2.1 NaOH投加量对COD释放量影响

在8支250mL的锥形瓶中加入100mL含水率为99.8%二沉池污泥，分别向锥形瓶中加入不同体积的NaOH溶液，将锥形瓶密封，在温度为60℃的条件下消解12h，考察NaOH的投加量对COD释放量的影响，结果如图1所示.由图1可见，NaOH的投加量小于2g／L时，COD的释放量随着NaOH浓度的增大而增加，NaOH的投加量大于2g／L时，污泥中COD释放量趋近平衡.当NaOH的投加量分别为0g／L和2g／L时，滤液中COD质量浓度分别为117.2 mg／L和501.2mg／L，NaOH 的质量浓度为2g／L时COD释放量是不加NaOH消解时COD释放量的4.4倍.这表明NaOH消解对污泥中COD的释放有显著效果.

图1 NaOH浓度对COD释放的影响

当NaOH投加量低于2.0g／L时，COD溶出量随NaOH投加量的增大而增大的原因主要有两个.第一，NaOH的添加可改变污泥溶液的pH，而随着污泥溶液pH值的升高，污泥聚集体和有机质之间的作用力会逐渐降低［9］，所以随着NaOH投加量的增大，污泥溶出的COD量逐渐增大；第二，大部分微生物在强碱性条件下难以生长，死亡微生物细胞破裂可进一步释放COD，从而提高溶出液COD的量.当NaOH的投加量大于2g／L时，COD溶出量随NaOH投加量的增大变化不明显，甚至还可能而下降，释放COD不变或后下降的原因有两个.第一，污泥聚集体吸附的有机物已经完全释放；第二，微生物细胞中渗透压与外界平衡，COD的释放量不再加，从而使COD的释放量保持平衡.同时可能污泥中有极少数微生物能在强碱性条件下存活，存活的微生物利用污泥中溶解性的有机物，消耗COD所造成的，Cai等［10］报道了相似结果.

2.2 消解温度对COD释放量的影响

在5支250mL的锥形瓶中分别加入100mL含水率为99.8%二沉池污泥，向锥形瓶中分别加入10 mL质量浓度为40g／L的NaOH溶液，在30～70℃温度条件下消解2h，考察温度对COD释放量的影响，结果如图2所示.由图2可见，COD的释放量随温度的升高而增加，温度为70℃时COD的释放量是温度为30℃时的1.7倍.这主要是因为，温度对污泥聚集体吸附有机质有不同程度的影响，低温有利于污泥聚集体和有机质之间作用力的形成，使污泥中的有机质处于相对稳定状态［11］.温度越高越不利于污泥聚集体吸附有机物，同时较高的温度不利于微生物生长，温度越高微生物细胞破裂的机率越大，释放的有机物就越多.

图2 消解温度对COD释放的影响

2.3 消解时间对COD释放量的影响

在8支250mL锥形瓶中分别加入100mL含水率为99.8%的二沉池污泥，然后分别向锥形瓶中加入10mL浓度为40g／L的NaOH溶液，在温度为60℃条件下分别消解0、2、4、6、8、10、12、24h，考察消解时间对COD释放量的影响，结果如图3所示.

图3 消解时间对COD释放的影响

由图3可见，COD释放量随着消解时间的增加而增加，当消解时间达到12h以后，污泥中COD释放量趋近平衡.消解时间为0h和12h时，滤液中COD质量浓度分别为284.2mg／L和513.3mg／L，消解时间为12h时COD释放量是消解时间为0h时COD释放量的1.8倍，这表明消解时间对NaOH消解污泥释放COD有显著的影响.在高温和碱性条件下，当消解时间小于12h时，COD释放量随消解时间的增加而增加的主要原因是：随着时间的增加，NaOH逐渐破坏污泥中的絮体，同时破裂的微生物细胞越多，释放的COD越多；当消解时间大于12h时，随着消解时间的增加，NaOH逐渐被消耗，污泥中微生物细胞不再破裂，微生物细胞中渗透压与外界平衡，COD的释放量不再增加，从而使COD的释放量保持平衡.

2.4 超声与NaOH消解方法比较

在NaOH投加量为2.0g／L、温度为50℃以及消解时间为12h的条件下对含水率为99.47%的污泥进行消解，测定COD的释放量；利用超声仪器在超声功率为1 000W、声能密度为1W／cm3的条件下对含水率为99.47%的污泥进行了超声试验，采样时间分别为3、6、12、20min；比较 NaOH 消解和超声两种方法对COD溶出效率和污泥沉降效率的差异，结果见表3.由表3可见，随着超声时间的延长，滤液中COD浓度逐渐增加，当超声时间为20min时，滤液中COD浓度为200mg／L，其远远低于NaOH消解滤液中COD 1 448mg／L的浓度.超声试验采用最长20min，主要是因为仪器一次性不宜工作过长时间，同时随着超声时间的延长，污泥粘度会逐渐增大，从而降低污泥的脱水性能，使后续污泥分离困难［12］.污泥经NaOH消解12h后，沉降性能较好，有利于污泥的浓缩处理.这说明在该实验条件下，相比于超声波，NaOH消解污泥具有更好的效果和应用前景.

表1 超声和消解两种方法COD释放量

2.5 污泥含水率对COD溶出的影响

为考察污泥含水率对COD溶出的影响，分别利用 NaOH 对含水率为97.00%、98.56%、98.98%和99.55%的污泥进行消解，消解时间为2.0h，结果如图4所示.由图4可见，COD溶出量随污泥含水率的降低而增加，如当NaOH浓度为4.0g／L时，含水率为97.00%、98.56%、98.98%和99.55%的污泥滤液中COD的浓度分别为538.9mg／L、2 180.3mg／L、2 688.5mg／L和3 950.8mg／L.同时可发现，随着污泥含水率的升高，COD溶出达到平衡所需的NaOH的量逐渐降低，当污泥含水率为98.56%、98.98%和99.55%时，COD溶出平衡所需的NaOH浓度分别为2.0g／L、4.0g／L和5.0g／L；当含水率为97.00时，NaOH浓度为10.0g／L时，COD的溶出亦未达到平衡.这主要是因为含水率越低，污泥中悬浮物、微生物、微生物所吸附的有机物越多，消解过程中释放COD的量越多，达到COD溶出平衡时所需NaOH就越多.

图4 污泥含水率与COD释放的关系

3 结 论

研究结果表明，NaOH消解对二沉池污泥中COD的释放有非常显著的效果，NaOH浓度、温度、时间、污泥含水率等参数对COD的释放效率有较大的影响.含水率为99.8%二沉池污泥消解最佳NaOH浓度为2g／L，消解时间12h，含水率不同的污泥，NaOH消解的最佳条件不同，同时COD的最大释放量亦不同.超声消解污泥过程中，虽然污泥释放的COD随超声处理时间的延长而增加，但同时脱水越困难，与NaOH消解相比，超声消解后污泥的沉降性能较差.由此可见，经NaOH消解后，污泥可释放较多的COD，污泥的沉降性能较好，有利于污泥的浓缩处理，使污泥减量化；同时污泥释放的COD，能为城市污水处理厂的反硝化处理工艺提供碳源和营养源，为污水反硝化处理节省成本.

［1］ 张守君，杜永林.污水处理中污泥处理技术分析［J］.云南环境科学，2000，20（4）：40－41.

［2］ 王慧勇，刘 亮，呼唤.碱处理污泥为底物的微生物燃料电池产电特性［J］.中国给水排水，2012，28（7）：5－8.

［3］ 吴代顺，桂丽娟，陈晓志，等.不同类型碳源及其投加量对污泥反硝化的影响研究［J］.兰州交通大学学报，2012，31（3）：99－103.

［4］ 郑 平.硝化作用的生化原理［J］.微生物学通报，1999，26（3）：215－217.

［5］ 李 晔，章 旻，陈家宏，等.污水反硝化脱氮的固态有机碳源选择实验研究［J］.武汉理工大学学报，2010，32（6）：27－31.

［6］ Hallin S，Pell M.Metabolic Properties of Denitrifying Bacteria Adapting to Methanol and Ethanol in Activated Sludge［J］.Wat.Res，1998，32（1）：13－18.

［7］ 郑兴灿，李亚新.污水除磷脱氮技术［M］.北京：中国建筑工业出版社，1998.

［8］ 杨 洁，季 民，韩育宏，等.碱解预处理对污泥固体的破解及减量化效果［J］.中国给水排水，2007，23（23）：93－96.

［9］ 张丽萍，袁文权，张锡辉.底泥污染物释放动力学研究［J］.环境污染治理技术与设备，2003，4（2）：22－26.

［10］Cai M L，Wei Y S，Liu J X.Enhanced Biohydrogen Production from Sewage Sludge with Alkaline Pretreatment［J］.Environ.Sci.Technol，2004，38：3195－3202.

［11］朱 建，李捍东，王 平.环境因子对底泥释放COD、TN和 TP的影响研究［J］.水处理技术，2009，35（8）：44－49.

［12］朱金开，马忠亮.污泥处理技术及资源化利用［M］.北京：化学工业出版社，2007.